DE2227463C3 - Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung, der zwei antiparallel geschaltete stromabnehmende Thyristorgruppen für jede Phase der Ausgangsspannung und ein Steuersystem mit Steuerimpulsgebern enthält, deren Ausgänge mit den Steuerelektroden und den Katoden der Thyristoren der Gruppen gekoppelt sind. (Buch von W. Schilling »Die Wechselrichter und Umrichter« München und Berlin 1940, S. 90).

Zur Gewährleistung eines zuverlässigen Arbeitens des Umformers sind die genannten stromführenden Gruppen mit der Ausgangsfrequenz abwechselnd zu öffnen, wozu meist eine der zwei Steuerverfahren für den Umformer — eine zyklische Steuerung mit Überführung der auszuschaltenden Gruppe in Wechselrichterbetrieb für die ganze Halbwelle der Ausgangsspannung, wo diese Gruppe keine Energie aus dem Speisenetz an die Belastung abgibt, bzw. eine Steuerung mit Folgeregelung in bezug auf den Nullwert des Belastungsstromes — verwendet wird.

Der Ventil-Frequenzumformer mit zyklischer Steuerung der abwechselnd stromführenden Gruppen weist einen Nachteil auf, der darin besteht, daß Kreisströme erzeugt werden, zu deren Verminderung Strombegrenzungsdrosselspulen eingesetzt werden. Ein Ventil-Frequenzumformer mit Strombegrenzungsdrosselspulen kann jedoch auf Grund der Leistungs- und Spannungsverluste bei diesen sowie auf Grund ihrer beträchtlichen Masse und Abmessungen in ?iner Reihe von Fällen nicht zur Anwendung gelangen, wo an den Wirkungsgrad mi sowie an Gewicht und Abmessungen besondere Anforderungen gestellt werden.

In diesen Fällen werden meistenteils Ventil-Frequenzumformer mit Folgeregelung in bezug auf den Nullwerl des Belastungsstromes eingesetzt, die für jede ·■■". seiner Phasen einen Nullstromgeber besitzen, auf dessen Signal die den Strom übernehmende Gruppe eingeschaltet wird. Die andere Gruppe bleibt hierbei ausgeschaltet, wodurch der Kreisstrom eliminiert wird und folglich die Notwendigkeit von Strombegrenzungsdrosselspulen entfällt Der Wirkungsgrad eines derartigen Umformers beträgt meist 99 bis 99,8%, während die spezifische Leistung bei Ventil-Frequenzumformern mit einer Leistung über 500 kW 6 bis 9 kW/kg ausmachen kann. Bei leistungsstarken Ventil-Frequenzumformern wird daher die Steuerung mit Folgeregelung in bezug auf den Nullwert des Belastungsstromes bevorzugt (DE-PS 10 25 509. SE-PS 3 43 730).

Als Nullstromgeber wird in der Regel ein Fühlelement auf der Basis eines Gleichstromverstärkers ausgenutzt, dessen Eingangswicklung im Stromkreis der Belastungsphase (SU-PS 1 76 627) liegt.

Jedoch erweist sich ein derartiger Geber bei einer großen Leistung des Ventil-Frequenzumformers (über 500 kW) als übermäßig groß, weil dessen Eingangswicklung für den gesamten Belastungsstrom bemessen werden muß. Darüber hinaus müssen bei solch einem Geber zwei widersprüchliche Forderungen berücksichtigt werden, deren eine darauf hinausläuft, daß er den gesamten Belastungsstrom durchlassen soll, und die andere darauf, daß er auf Ströme in der Größenordnung von 50 bis 100mA ansprechen soll, indem er bei einer Stromabnahme unter den genannten Wert ein Nullstromsignal abgibt. Die beiden genannten Forderungen auf einmal zu erfüllen, ist praktisch äußerst schwer, weshalb bei der Entwicklung der leistungsfähigen Umformer mit direkter Kopplung das Problem der Schaffung eines wirksamen Nullstromgebers zu lösen ist.

Dieselben Nachteile haften auch Nullstromgebern an, bei denen als Fühlelement ein Stromwandler auftritt, dessen Primärwicklung im Stromkreis der Belastungsphase in Serie (»Siemens-Zeitschrift«, Bd. 39 (1965), H. 4 S. 262 bis 265) geschaltet ist.

Außer den obengenannten Nachteilen weisen sämtliche Nullstromgeber auf der Basis der Magnetverstärker oder Stromwandler eine unzureichende Störfestigkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern auf. Deshalb ist deren Anwendung unter den Verhältnissen starker elektromagnetischer Felder unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung zu schaffen, bei dem der Nullstromgeber lediglich leistungsschwache Elemente enthält, wobei sowohl deren Verbindungsschaltung als auch deren Leistung von der Leistung des Umformers unabhängig sind.

Eine zusätzliche Forderung an den genannten Nullstromgeber besteht darin, daß dessen Empfindlichkeit nicht unterhalb von 20 bis 50 mA liegen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Nullstromgeber für jeden Thyristor ein Flipflop enthält, dessen Ausgänge mittels UND-Gliedern zusammengeschaltet und an deren »0«- und »1«-Eingänge je die Enden der Ausgangswicklung eines Impulstransformators geschaltet sind, bei dem der Mittelabgriff der Ausgangswicklung geerdet ist, wobei die eine der Eingangswicklungen des genannten Impulstransformators im Stromkreis der Steuerelektrode des entsprechenden Thyristors in Reihe geschaltet und die andere Eingangswicklung des genannten Impulstransformator über eine Diode und einen Begrenzerwiderstand an die Katode und Anode desselben Thyristors angeschlossen ist.

Bei einem solchen, nach dem Prinzip der Folgeregelung in bezug auf den Nullwert des Belastungsstromes

arbeitenden Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung wird also als Nullstromgeber eine den Zustand der Thyristoren der stromabnehmenden Gruppen analysierende logische Schaltung verwendet. Im Vergleich zu den bekannten Nullstromgebern au: der Basis der Magnetverstärker bzw. Stromwandler gewährleistet solch eine Schaltung einen höheren Wirkungsgrad, eine bessere Empfindlichkeit gegenüber dem Nullstrom und geringe- Masse und Außenabmessungen. Dies gestattet es nämlich, für eine Belastung mit einer Leistung über 1000 kW einen Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung aufzubauen, der eine spezifische Leistung um 8 bis 10 kW/kg besitzt.

Eventuelle Anwendungsgebiete derartiger Umformer schließen das Vermischen von Schmelzgut durch ein elektromagnetisches Drehfeld, das Überpumpen der Metallschmelze mittels elektrischer Pumpen, Elektroantriebe für Walzwerke und Drehofen, die Speisung von Wechselstrombordnetzen in Schiffen und in Flugzeugen durch Wellengeneratoren und die zentrale Elektrizitätsversorgung von Personenzügen durch Diesellokomotiven ein.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden, die die elektrische Prinzipschaltung des vorliegenden Ventil-Frequenzumformers mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung für den Fall der Umformung einer Drehstromspannung in eine Spannung niederer Frequenz zeigt

Beim vorliegenden Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung wird vom Prinzip der Formierung der Ausgangswechselspannung aus Elementarabschnitten der gleichgerichteten Sinuswellen der Primärspannung Gebrauch gemacht. Hierbei erfolgt die Formierung der Ausgangswechselspannung für jede Belastungsphase durch zwei antiparallel geschaltete Gruppen, deren eine die positive Halbwelle des Belastungsphasenstroms und die andere die negative formt, wobei das Prinzip einer getrennten Steuerung der genannten Gruppen mit Folgeregelung in bezug auf den Nullwert des Belastungsphasenstroms ausgenutzt worden ist. 4:

Das genannte Prinzip besteht darin, daß die stromübernehmende Gruppe erst dann eingeschaltet wird, wenn der durch die auszuschaltende Gruppe fließende Belastungsstrom auf den Nullwert absinkt. Dieser Zeitpunkt wird durch den Phasenstrom-Nullgeber fixiert. Beim genannten Geber wird ein Prinzip zur Analyse der Zustände der Thyristoren der stromführenden Gruppen ausgenutzt, das mit Hilfe einer logischen Schaltung aus Impulstransformatoren und rlipRops realisiert wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, enthält der Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung drei Phaseneinheiten 1, 2 und 3. Deren Eingänge sind an die Phasen A, B, C des Speisenetzes und die Ausgänge an die Phasen A', B', <■·■> C der Belastung 4 angeschlossen. Da alle drei genannten Phaseneinheiten 1, 2, 3 ganz gleiche Elemente und deren Verbindungsschaltung aufweisen, wird im weiteren die Schaltung nur einer Phaseneinheit 1 betrachtet. ■

Die Phaseneinheit 1 besteht aus je einer Katoden- und Anodengruppe, deren erste die Thyristoren 5 bis 7 und die zweite die Thyristoren 8 bis 10 enthält. In bezug auf die Phasen A, B, C des Speisenetzes und die Phasen A', B', Cder Belastung 4 sind die Thyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe und die Thyristoren 8 bis 10 der Anodengruppe antiparallel geschaltet Wenn beispielsweise der Thyristor 5 der Katodengruppe mit der Anode an die Phase A und mit der Katode an die Phase A 'geschaltet ist, so ist der ihm entsprechende Thyristor 8 der Anodengruppe mit der Katode an die Phase A und mit der Anode an die Phase A' geschaltet Analog sind bezüglich der Phasen B-B'und C-C die Thyristoren 6,9 bzw. 7,10 geschaltet

Die Steuerelektrode und die Katode eines jeden der genannten Thyristoren 5 bis 10 sind mit den Ausgängen der Steuerimpulsgeber 11 und 12 gekoppelt Hierbei sind die Thyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe an den Steuerimpulsgeber 11 und die Thyristoren 8 bis 10 der Anodengruppe an den Steuerimpulsgeber 12 angeschlossen. Die genannten Steuerimpulsgeber 11, 12 stellen Ausgangseinheiten eines Steuersystems dar, das in der Zeichnung nicht aufgezeigt ist und nach den bekannten Schaltungen unter Benutzung des Prinzips einer getrennten Steuerung der stromführenden Gruppen ausgeführt wird.

Zur Analyse des Zustandes eines jeden der Thyristoren 5 bis 10 sind Impulstransformatoren 13 vorgesehen, deren jeder zwei Eingangswicklungen 14 und 15 und eine Ausgangswicklung 16 enthält Die an den Impulstransformatoren 13 angebrachten Eingangswicklungen 14 sind in die Stromkreise der Steuerelektroden der entsprechenden Thyristoren 5 bis 10 in Serie geschaltet, wobei das Ende einer jeden von ihnen mit der Steuerelektrode des entsprechenden Thyristors verbunden ist

Jede der Eingangswicklungen 15 der Impulstransformatoren 13 ist an die Katode und die Anode des entsprechenden Thyristors 5 bis 10 über einen Begrenzerwiderstand 17 und eine Diode 18 angeschlossen, wobei das Ende einer jeden von ihnen mit der Katode des entsprechenden Thyristors gekoppelt ist.

Die Ausgangswicklungen 16 der Impulstransformatoren 13 sind mit einem geerdeten Nullpunkt 19 verbunden. Die Ausgangswicklung 16 setzt sich aus zwei Teilen 20 und 21 zusammen. Der gemeinsame Punkt dieser Teile stellt den Nullpunkt der Ausgangswicklung 16 dar.

Der Anfang des Teiles 20 ist über eine Trenndiode 22 an den »0«-Eingang des Flipflops 23 an den diesen in den »0«-Zustand schaltenden Eingang und das Ende des Teiles 21 über eine Trenndiode 24 an den »!«-Eingang desselben Flipflops 23 angeschlossen.

Die Ausgänge der den Thyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe entsprechenden Flipflops 23 sind mit den Eingängen der UND-Schaltung 25 und die Ausgänge der den Thyristoren 8 bis 10 der Anodengruppe entsprechenden Flipflops 23 sind mit den Eingängen der UND-Schaltung 26 gekoppelt. Die Ausgänge der genannten UND-Schaltungen 25 und 26 sind mittels UND-Schaltung 27 vereinigt, deren Ausgang als Ausgang des Nullstromgebers der Phase A' der Belastung 4 auftritt.

Der Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung arbeitet wie folg*. Das in der Zeichnung nicht gezeigte Steuersystem verwirklicht mit Hilfe der Steuerimpuisgeber 11 und 12 eine abwechselnde Einschaltung der ü-omführenden Anoden- bzw. Katoden-Thyristorgruppe. Hierbei erfolgt die Einschaltung der an die Reihe kommenden Gruppe erst dann, wenn v.r Strom in der entsprechen-

den Phase A', B' oder C der Belastung 4 auf den Nullwert absinkt. Dieser Zeitpunkt wird durch den Nullstromgeber fixiert, der Impulstransformatoren 13, Begrenzerwiderstände 17, Dioden 18, Begrenzerdioden

22 und 24, Fhpflops 23 und UND-Schaltungen 25,26 und 27 enthält.

Die den Strom übernehmende Gruppe darf erst dann eingeschaltet werden, wenn der Nullstromwert der Phase A'der Belastung 4 fixiert worden ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Thyristoren 5 bis 7 von der einen Seite und die Thyristoren 8 bis 10 von der anderen antiparallel geschaltet sind. Deshalb würde, falls beispielsweise irgendeiner der Thyristoren 5 bis 7 noch nicht abgeschaltet ist, während einer der Thyristoren 8 bis 10 bereits eingeschaltet wird, ein Phasenkurzschluß im Speisenetz A, B, C eintreten. Im betrachteten Prinzip der Steuerung eines Ventil-Frequenzumformers ist daher eine Fixierung des Zeitpunktes des Absinkens des Stromes der Phase A' der Belastung 4 auf den Nullwert erforderlich, was von der Ausschaltung der Thyristoren 5 bis 10 und folglich von der Möglichkeit der Einschaltung der den Strom übernehmenden Gruppe zeugt.

Diese Funktionen führt der NuUstrcmgeber folgenderweise aus:

Zum öffnen eines beliebigen der Thyristoren 5 bis 7 oder 8 bis 10 erzeugt der Impulsgeber 11 bzw. 12 Steuerimpulse, die auf die Steuerelektroden der genannten Thyristoren 5 bis 7 bzw. 8 bis 10 gelangen, indem sie die Wicklungen 14 der Impulstransformatoren 13 durchlaufen. Hierbei werden in den Ausgangswicklungen 16 dieser Impulstransformatoren Impulse induziert.

Ein durch den Teil 21 der Ausgangswicklung 16 erzeugter Spannungsimpuls kann nicht auf ein Flipflop

23 einwirken, da dies durch die Trenndiode 24 verhindert wird. Was aber den durch den Teil 20 der Ausgangswicklung 16 erzeugten Spannungsimpuls anbetrifft, so gelangt er über die Trenndiode 22 auf den »0«-Eingang des Flipflops 23 und versetzt dieses in den »0«-Zustand.

Infolgedessen erscheint am Ausgang der UND-Schaltung 25 oder 26, je nachdem, ob die Thyristoren 5 bis 7 bzw. 8 bis 10 durchschalten, ein Nullniveau der Spannung, das vom Vorhandensein eines Stromes in der stromabnchmenden Gruppe der Phase A 'der Belastung 4 zeugt. Gleichzeitig erscheint in einem beliebigen der betrachteten Fälle ein Nullniveau der Spannung am Ausgang der UND-Schaltung 27, was vom Vorhandensein eines Stromes in der Phase A' der Belastung 4 zeugt.

Wenn irgendeiner der Thyristoren 5 bis 10 unter der Wirkung einer daran auftretenden Rückspannung sperr!, so beginnt unter der Wirkung dieser Spannung über die Eingangswicklung 15 des entsprechenden Impulstransformators 13 ein Strom in einem aus der genannten Wicklung 15, dem Begrenzerwiderstand 17 und der Diode 18 bestehenden Stromkreis zu fließen. Der Kern des entsprechenden !mpulstransformators 13 wird dabei ummagnetisiert, und in der Ausgangswicklung 16 wird ein Impuls erzeugt, der über die entsprechende Trenndiode 24 auf den »1 «-Eingang des entsprechenden Flipflops 23 gelangt.

Der »!«-Zustand des Flipflops 23 zeugt also davon, daß der entsprechende Thyristor 5 bis 10 hierbei sperrt. Der »0«-Zustand eines beliebigen der Flipflops 23 zeugt dagegen davon, daß der entsprechende Thyristor 5 bis

10 leitet und darüber ein Strom fließt. Wenn alle Thyristoren 5 bis 10 gesperrt sind, befinden sich alle Flipflops 23 in einem »1 «-Zustand, so daß am Ausgang der UN D-Schaltung 27 ein »1 «-Signal anliegt.

Beim öffnen eines beliebigen der Thyristoren 5 bis 10 durchläuft der Impuls vom Ausgang des Impulsgebers

11 bzw. 12 die Eingangswicklung 14 eines der Impulstransformatoren 13, worauf sich im Teil 20 der Ausgangswicklung 16 dieses Transformators 13 ein Impuls ausbildet, der das entsprechende Flipflop 23 in einen »0«-Zustand umschaltet. Hierbei erscheint am Ausgang der UND-Schaltung 27 ein Nullniveau der Spannung, das vom Vorhandensein eines Stromes in der Phase Λ'der Belastung 4 zeugt. Die UND-Schaltung 25 zeigt also den Zustand der Thyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe, die UND-Schaltung 26 den Zustand der Thyristoren 8 bis 10 der Anodengruppe und die UND-Schaltung 27 das Vorhandensein eines Stromes in der Belastungsphase A 'an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung, der zwei antiparallel geschaltete Thyristorgruppen für jede Phase der Ausgangsspannung und einen Nullstromgeber und ein Steuersystem mit Steuerimpulsgebern enthält, deren Ausgänge mit den Steuerelektroden und den Katoden der Thyristoren der Gruppen gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Nullstromgeber für jeden Thyristor ein Flipflop (23) enthält, dessen Ausgänge mittels UND-Gliedern (25,26,27) zusammengeschaltet und an deren »0«- und »!«-Eingänge je die Enden der Ausgangswicklung (16) eines Impulstransformators (13) geschaltet sind, bei dem der Mittelabgriff der Ausgangswicklung geerdet ist. wobei eine der Eingangswicklungen (14) des genannten Impulstransformators (13) im Stromkreis der Steuerelektrode des entsprechenden Thyristors (5 bis 10) in Reihe geschaltet und üie andere Eingangswicklung (15) des genannten Impulstransformators über eine Diode (18) und einen Begrenzerwiderstand (17) an die Katode und Anode desselben Thyristors (5 bis 10) angeschlossen ist.